LED灯替代金卤灯的低成本方案

1、照明 . lE lcrcLgtnetiihigLED灯替代金卤灯的低成本方案介绍了 LED光源的特点，阐述了 LED灯替代金卤灯 方案。探讨了 . LED 照明技术的创新和发展。同志敏山东莱芜钢铁集团公司动力部LED在20世纪60年代初期问世，当时的L ED以红色为主，发光效率很低，光通量很小，只能作为指示灯和仪表显示器使用。随着管芯材料、结构和封装技术的不断进步，LED颜色品种增多，光效大幅度提高，目前的红色.LED光效已达到 1 001m/W,绿色 LED也达到. 5 01m / W单个 LED的光通量可达到几十流明。尤其是近年来高光效、高亮度白光.LED的开发成功，使志敏/高级工程师得L

2、ED在照明领域的应用成为可能。.LED作为新型光源，具有寿命长、起动时间短、无紫外线、色彩丰富饱满、可做全彩变化和低压安全等特 点。除了在传统的信号显示领域长期应用外，近年来随着高功率 （ HI Power）超高亮度LED的问世，极大地拓展了 LED的应用领域，如今在娱乐、城市建筑物美化和景观照明等 方面有非常广泛的应用，并朝日常照明应用的方向发展。现在人们普遍认为 L ED 有望发展成第四代光源，即半导体照明。 键 KeywOrdsLED 光源的特点LED 金卤灯. LED是一种可将电能转变为光能替代方案的半导体发光器件，属于固态 光源，其特点有： 1）节能、不引起环境污染。具有电压低、电流

3、小和亮度高的特性。一个1012W的 LED发出的光量与一个 3 5 150W 的白炽灯发出的光量相当同样照明效 果 L ED比传统节能8 0 % 9 0 %。 LED的能耗较小，随着技术的进步，将成为一种新 型的节能照明光源。目前白光 LED的光效已经超过了普通白炽灯的水平，达 50 2001m/W光谱窄，单色性好，几乎所有发出的光都可利用，且无须过 L ED光效滤直接发出色光。至U 2 010 2015 年，白光 L ED 的光效有可能达到 150 2001m / W，远远 超过了现在所有照明光源的光效。此外，现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人 体健康的汞，这些光源的生产过程和废弃

4、的灯管都会造成对环境的污染。L ED则没有这些问题，是一种 “清洁 ”的光源。2）寿命长。L ED利用固态半导体芯片将电能转化为光能， 外加环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击，L ED单管寿命10万h,光源寿命在2万h以上， 按每天工作 12h计算寿命也在 5年以上，而普通白炽灯的寿命约为 10 00h，荧光灯、金卤灯的寿命也不超过 1 0000h ，而 L ED 的使用寿命可长达数万小时。3）灯具结构合理。LED灯具将彻底改变灯具的结构，根据不同的专业使用要求，L ED灯具的结构在提高初始亮度的条件下, 经过稀土再次提高亮度, 经过光学镜片的提高, 其发光亮度得到再次提高。 LED 是用环氧

5、树脂封装的固态光源,其结构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件,是一种全 固体结构,因此能够经受得住振动、冲击而不致引起损坏。 4）光色多。可以选择白色或彩色光,如红色、黄色、蓝色、绿色、黄绿色和橙红色等,并可根据需要制造出多色组合和循 环变色的艳丽灯饰。IJ嘭县明.建筑电气.2010年第29卷第3期LED灯替代金卤灯的低成 本方案5）安全性高。LED光源使用欠电压驱动，发光稳定，无污染，没有采用50Hz交流供电的频闪现象，没有紫外线 B波段，Ra值接近 100,色温5000K,最接近太阳色温 5500K。 发热量低,无热辐射的冷光源,能精确控制光型及发光角度,光色柔和,无眩光；不含汞、钠元素等可

6、能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。6)设计形状的多样性。国产.LED光源由许多单个.LED发光管组合而成，因 而比其他光源可做成更多的形状，更容易针对用户的情况，设计光源的形状和尺寸。7)快速响应。 LED 发光管响应时间很短，能按要求保证多个光源之问或一个光源不同区域之间的工 作切换。采用专用电源给 . LED 光源供电时，达到最大照度的时问小于 . 10ms 。 8)运行成 本低。其他光源不仅耗电是 .LED光源的210倍，而且几乎每月都有故障灯需要更换，增 加 r 维护成本。而且投入使用的光源越多，在器件更换和人工方面的成本就越高，初次投

7、资的节省很快会被日常的维护、维修费用抵消。凶此选用使用寿命长的.LED光源从长远看是很经济的。除此之外， LED 作为照明用光源还有一些优点：发光体接近点光源，便于灯具 设计；发光响应时间短；易于做成薄型灯具，节省安装空间等。综上所述，LED 是一种符合绿色照明要求的光源， 所谓 . “绿色照明” 的概念就是指通过科学的照明设计， 采用效率高、 寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品 . ( 电光源、灯用电器附件、灯具、配线材料以及 调光控制设备和控光器件 ) ，改善提高人们工作、 学习及生活的条件和质量， 从而创造一个高 效、舒适、安全、经济且有益的环境并充分体现现代文明的照明。.LED灯替代

8、金卤灯方案.1 单片开关电源方案 . LED 技术提供了一个更低成本的金卤灯替代方案，例如，LedEngin公司的最新.5W 高亮度.LED( 一个芯片，4X4mm封装)和10w高亮度.www eage com cn ElcrcLgtnetiihig f 照明 . LED(4 个芯片， 7X7milll 封装 ) 的典型发光效率为45hnW(1000mA/Tj=120ccc)。在实际应用中，5WLE丙输出.155lm(1000mA/Tj= 120。C), 10WLED 可输出.345h n(700mA / T 120 C )。可以看出，当输出光通量相同时，LED灯的功耗仅为金卤灯的50%。此外

9、，当LED工作结温不超过 120C时，LED工作50000h后仍保持.90 %的 输出光通量。在替代.GU10灯座金卤灯的设计中，如输入电压为交流85265V,可采用.LNK350DN设计LED驱动电路。设计的.LED驱动电路必须符合严格的 .EN55022BZCISPR22B 传导.EMI要求。鉴于开关.IC的高开关频率和 GU10灯座有限的尺寸大小，这些要求给设 计带来了重大挑战。 在升降压电路拓扑结构中，EMI噪声电流环路从.MOSFE流向输出二极管、输出电容，然后返回输入电容；而在降压电路配置中，该电流环路从. M0SFET 流向续流二极管，然后返回输入电容，因此较前者中的环路短。因此

10、，上述情况导致在升降压设计 中略微降低噪声要更困难。为了符合行业 . EMI 规范，应将驱动电路分成两个电路板：位于 顶部的转换器电路板与位于底部的输入整流/EMI滤波器电路板，如图.1所示。然后它们在两个电路板之问放置法拉第屏蔽。 电气连接到转换器电路板的屏蔽含有一个单面铜铂区域 . PCB后者的构造尺寸与底部输入整流/EMI滤波器电路板相同。使用本设计驱动.3 个.LED,其测试结果显示，传导.EMI在输入电压为.AC230V的最差情况下约为.7dB/ IxV , 低于行业.EMI要求。.2 恒流驱动器方案在替代MR16金卤灯 (MR16代表灯的杯口径为.501i2XTm)的设计中，如输入

11、电压为交流.1 (1 10%)V。采用.LedEngin 公司的.MAX16820设计驱动.MR16LED丁的应用中，采用了非常小的6引脚.TDFN封装。MAX16820具有.4 528V输入电压范围，这使得采用.MAX16820的驱动电路能提供很宽的驱动电 流范围。可选用.5WLE刖高达1A的电流驱动能力的 MAXI6820b此外， 2010年2月上.建 筑电气；量 I 钉 151 照明.lElcrcLgtnetiihigJ2 f。二=(14 . 7 4. 7 LIImH .n1 n.一、J (a)滤波器的电路结构 BAV2IWs_7_F 空立空夕 (b)转换器电路结构 圈1滤波器及转换器的

12、电路 MAX16820的工作温度高达 125oC,可以在 MRI6灯具内的 高温环境中安全地工作。虽然 MAX16820可以控制的输出功率达到25w，甚至更高，但其2 MHz的开关频率使驱动电路可以采用小尺寸的电感和电容，这样便可将驱动电路放置在 MR16灯具中。采用 MAX16820的 5WMRI6LED丁的驱动电路如图 2所示。它由二极管 整流桥 VD。VD 100 F 滤波电容 c八c和降压型转换器电路组成，其中降压型转 换器电路包含了 LED驱动器 MAX16820、电感、功率 MOSFET(Q)、续流二极管 VD和检流电阻 . R 。. 毒尺 O2 LED，J _VD r u1 39

13、 l一广. _ . ACCl 一. ：笙 1000uF二=1 vD一 fQ图2基于MAX16820驱动LED电路5w的高亮度.LED需要.1A的驱动电流， 因此降压型 . LED 驱动电路被设计成可以提供 . 1A 的. 52f 嘭量 I 】。建筑电气 -2010 年 第29卷第3期直流输出电流。这里采用滞环电流控制方法来控制电感电流.(即LED电流)。MAX16820所采用的滞环电流控制方法使驱动电路非常简单，且具有很高的鲁棒性， 从而保证7%的LED电流精度。为保证.5WLED在整个交流电源频率周期内正常工作，在整流桥输出 端并联滤波电容限制输出电压的波纹。该电容的电容值不小于200 F，

14、可以选用220F/25V的钽电容或电解电容。为保证足够高的输出电流精度，电感电流的最大变化率did ts ，t要小于.04A/X。在图2中电感上的最大电压为，电感值可通过下式计算得 .AMx0/(ItMx一 1+)一 U;若.A N 式中，U . =2UAc 。 ( 0c 1= 12V，: 10%，且 U =3. 6,则电感值 大于.37tH ，其标准值为3 xr9IH ; 6为输入交流电压的允许波动百分比；U为.LED正向电压。在高亮度 . LED 的应用中,如果要保证使用 . 50000h 后的输出光通量仍保持为原来 的90%以上，则要限制.LED的结温低于.120 C。采用散热器是将.L

15、ED的热量传导到 空气中的低成本方案。.5WMR16LE灯具采用散热器散热，LED驱动电路的.PCB就安装在 散热器的背面。MR16灯具的独特外形本身就和散热器很相似，金卤灯具主要将热辐射到空气中，而.LED灯具是直接热传导到散热器，再通过对流将热散发到周围空气中。与其他的低功率LED(1w和3WLED方案相比，采用了 5WLED和.MAXI6820 构成的高功率.5WMR16LED 灯的输出光通量显着增加,无须采用多灯级联方式就可以达到. 10W 金卤灯的照明水平。结束语.LED如果要求全面取代目前普遍使用的白炽灯或荧光灯，尚有以下技术上的 问题须研究解决。.LED的发光效率不高，为了获得高

16、亮度，不得不增加 LED模组的数量， 功耗和成本随之成倍增加。LED光源与高压水银灯在每瓦发光量上要低.(下转第64页)电气技术 IE IcrcTcnlgetiehooy AC/ DC变换电路系统，可利用并联功率因数校正DC电抗器，电源侧串联.AC电抗器的方法，使进线电流的THDV降低3 0%50%, 是不加电抗器谐波电流的 5 0%左右。 (2) 装设有源电力滤波器有源电力滤波器是串联或 并联于主电路中,实时检测电路中的谐波电流,即时产生一个与谐波电流大小相等,方向相 反的补偿电流,从而使电网电流只含基波电流。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进 行跟踪补偿,其特性不受系统的影响,无谐波放

17、大。 (3) 采用多相脉冲整流 12 相脉冲整流THD为I 0%15%, 18相脉冲整流的THD为3%8%，满足国际标准的要求。缺点是 需要专用变压器, 不利于设备的改造, 价格较高。 (4) 使用滤波模块组件滤波模块组件具 有较强的抗干扰能力,同时还具有防止电器本身的干扰传导给电源,有些还兼有尖峰电压吸 收功能。 (5) 开发新型的变流器大容量的变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术。 几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用.PWM逆变器可构成四象限交流调速用变频器。这种变频器不但输出电压、电流为正弦波,输入电流也为正弦波,且功率因数为 1,还可以实现能量的双向传递，代表了这一技术的s

18、(上接第.52页)不少，高压水银灯可以得到.1 0Im/w的亮度，而LED光源则只能达到.11m/w的发光效率，因此要得到相同的亮 度,必然要提高 I0 倍的功耗,这也是 L ED 光源基础研究中的关键问题。提高 L ED 的发光效率最主要的方法是改进半导体发光材料与L ED芯片的结构和制造工艺。由于这部分工作需要扎实的理论研究基础和先进的半导体工艺设备,开展这方面研究仍有大量工作要 做。 20世纪末白光L ED的出现吸引各国政府及企.64 J易胡.建筑电气.2010年第29 卷第3期发展方向。(6)选用 DYNI1接线组别的三相配电变压器三相变压器中把高压侧绕组接成三角形,低压绕组为星形且中

19、性点和 “ 11 ”连接以保障相电动势接近于正弦形，从而避免相电动势波形发生畸变。减少或削弱变频器的方法还有：在变频器与电动机 之问增加交流电抗器，以减少传输过程中的电磁辐射。使用具有间隔层的变压器，可以将 绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前。采用具有一定消除高频干扰的双积分 A / D转换器。选用具有开关电源的仪表等低压电器。信号线与动力线分开配线，尽量使用双绞线降低共模干扰。在使用单片机、P LC等为核心的控制系统中，在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。结束语变频器的广泛应用在给人们带来巨大经济效益的同时，也给电网带来了谐波危害，随 着电

20、力电子技术以及微电子技术的飞速发展，治理谐波问题将会迈上一个新的台阶，将变频 器产生的谐波控制在最小范围之内以抑制电网污染，提高电能质量。. （ 收稿日期： 2 0090313）EA s每3辞.s $s寻s寻s每寻.业的关注，成为光电子、照明工程科技领域 中的一个热门。短短的56年来，白光.LED的研发和应用取得举世瞩目的成绩。人们期望白光. L ED 成为第四代新照明光源，达到节能绿色照明目的，白光 . L ED 的光效达到 5 01m/W以上，开始部分取代白炽灯，进入商业照明；光效达到.1 001m / . W以上，开始进入家庭照明。目前的水平还有较大的差距，某些材料、器件和工艺还存在一些关键性问题 有